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L'era trasparente dell'universo: qual è il segreto del periodo di ricombinazione?
Nell'universo osservabile, la radiazione cosmica di fondo (CMB) è la radiazione a microonde onnipresente che riempie l'intero spazio osservabile. Lo spazio di fondo tra le galassie e le stelle osservato dai normali telescopi ottici è quasi completamente buio, ma se utilizziamo un radiotelescopio sufficientemente sensibile, possiamo rilevare un debole chiarore di fondo che non è associato a stelle, galassie o altri oggetti. Questa debole luce è più intensa nella regione delle microonde dello spettro elettromagnetico.
Nel 1965, la scoperta casuale dei radioastronomi americani Arno Penzias e Robert Wilson ebbe una grande importanza, segnando la fine del lavoro degli scienziati degli anni '40. L'emergere della radiazione cosmica di fondo a microonde è stata una prova fondamentale per la teoria del Big Bang. Nel modello dell'universo basato sul Big Bang, l'universo primordiale era riempito da un plasma opaco, denso e caldo di particelle subatomiche. Con l'espansione dell'universo, questi plasmi si raffreddarono e protoni ed elettroni si fonderono formando atomi neutri, principalmente idrogeno. Questi atomi non sono in grado di disperdere la radiazione termica tramite diffusione Thomson, rendendo l'universo trasparente.
Grazie a questo evento di disaccoppiamento dell'epoca, i fotoni furono liberati e poterono viaggiare liberamente nello spazio. Tuttavia, man mano che l'Universo si espande, l'energia di questi fotoni diminuisce a causa dello spostamento verso il rosso provocato dall'espansione dell'universo.
Questa è chiamata "superficie di ultima diffusione" ed è l'intervallo di distanza corretto in cui possono essere ricevuti i fotoni originariamente emessi durante il disaccoppiamento. Sebbene la radiazione cosmica di fondo sia pressoché uniforme, non è completamente liscia e presenta lievi anisotropie. Per misurare queste disomogeneità di temperatura sono stati utilizzati esperimenti terrestri e spaziali come COBE, WMAP e Planck.
La struttura anisotropica è determinata dalle varie interazioni tra materia e fotoni nel punto di disaccoppiamento, formando un modello caratteristico di rigonfiamenti e protuberanze che varia con la scala angolare.
La distribuzione anisotropica della CMB presenta componenti di frequenza della griglia che possono essere rappresentate da uno spettro di potenza che mostra una serie di picchi e valli. I picchi di questo spettro contengono informazioni chiave sulle proprietà fisiche dell'universo primordiale: il primo picco determina la curvatura complessiva dell'universo, mentre il secondo e il terzo picco specificano le densità della materia normale e della cosiddetta materia oscura.
Può essere difficile estrarre dettagli dai dati della radiazione cosmica di fondo, perché la radiazione è modificata da elementi in primo piano, come gli ammassi di galassie.
Caratteristiche della radiazione cosmica di fondo
La radiazione cosmica di fondo a microonde è un'emissione uniforme di energia termica del corpo nero da tutte le direzioni, con un'intensità misurata in Kelvin (K). Lo spettro del corpo nero caldo della radiazione di fondo è definito più chiaramente alla temperatura di 2,72548±0,00057 K. I cambiamenti di intensità sono espressi come cambiamenti di temperatura e la temperatura del corpo nero può descrivere in modo univoco l'intensità della radiazione a tutte le lunghezze d'onda. La temperatura di luminosità misurata a qualsiasi lunghezza d'onda può essere convertita nella temperatura del corpo nero.
La radiazione del CMB è molto uniforme in tutto il cielo e presenta una struttura poco strutturata rispetto agli ammassi di materia presenti nelle stelle o nelle galassie. La sua radiazione è isotropa in tutte le direzioni con una intensità pari a circa 1 parte su 25.000.
Sebbene l'anisotropia della radiazione cosmica di fondo sia estremamente piccola, molti suoi aspetti possono essere misurati con elevata precisione e queste misurazioni sono cruciali per le teorie cosmologiche. Oltre all'anisotropia della temperatura, la radiazione cosmica di fondo dovrebbe presentare variazioni angolari nella polarizzazione. La direzione di polarizzazione in ciascuna direzione del cielo è descritta dalla polarizzazione E-mode e B-mode. L'intensità del segnale E-mode è 10 volte inferiore all'anisotropia della temperatura. Serve come complemento ai dati della temperatura ed è correlato ad essi.
Il segnale B-mode è più debole ma potrebbe contenere dati cosmologici aggiuntivi e l'origine dell'anisotropia è anche legata alla fisica della polarizzazione.
Si prevede inoltre che la radiazione cosmica di fondo mostri piccole distorsioni spettrali che si discostano dalla legge del corpo nero. Si tratta anche di uno degli attuali focus di ricerca attivi e i ricercatori sperano di misurarli per la prima volta nei prossimi decenni, perché contengono informazioni preziose sull'universo primordiale e sulla formazione delle strutture successive.
Secondo Chuck nella V4 di Hubble, dato un rapporto di dimensioni di 400 a 1, la CMB contiene la maggior parte dei fotoni nell'Universo, con una densità numerica un miliardo di volte quella della materia nell'Universo. Ciò significa che senza l'espansione dell'Universo che raffredda la radiazione cosmica di fondo, il cielo notturno sarebbe luminoso quanto il Sole.
Da una prospettiva storica
L'esistenza della radiazione cosmica di fondo è stata prevista ed esplorata dai primi studiosi. Nel 1931, Georges Lemaître ipotizzò che i resti dell'universo primordiale potessero essere osservati sotto forma di radiazione; e nel 1948, Ralph Alph e Robert Hermann predissero ulteriormente l'esistenza del fondo cosmico a microonde e stimarono che la sua temperatura fosse di circa 5 Kelvin. Sebbene ci fosse una leggera deviazione, la base teorica era stata costituita.
La prima rilevazione positiva della radiazione cosmica di fondo avvenne nel 1964, quando gli scienziati della Princeton University iniziarono a costruire strumenti per misurarla; poi, nel 1964, Arno Penzias e Robert Wilson scoprirono casualmente l'esistenza della radiazione cosmica di fondo presso i Bell Labs.
Questa scoperta del 1965 non solo dimostrò l'esistenza della radiazione di fondo a microonde, ma rappresentò anche una svolta fondamentale nel campo della cosmologia, confermando il modello del Big Bang.
Con lo sviluppo della tecnologia, rilevatori come COBE, WMAP e Planck hanno continuato a condurre ricerche approfondite sulla radiazione cosmica di fondo, fornendo solide prove e indicazioni teoriche per la nostra comprensione della formazione e dell'evoluzione dell'universo.
Oggigiorno, la ricerca sulla radiazione cosmica di fondo è ancora in corso e gli scienziati sono ancora entusiasti di esplorare informazioni sull'universo primordiale. Quindi, quali misteri irrisolti pensi che nasconda la radiazione cosmica di fondo?
